面向等离子体细晶粒钨块体材料的制备及辐照效应的研究

摘要

细晶钨材料因具有高熔点、高热导率、低蒸汽压、低溅射产额和低的氢滞留性能等优点,成为国际热核实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)计划中最有应用前景的面向等离子体材料(Plasma Facing Materials, PFMs)之一。然而,当前国内外所研究制备的钨材料远远达不到ITER的要求,还需进一步提高其性能。
　　本文通过高能球磨结合放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering, SPS)制备了细晶钨材料,着重研究高能球磨工艺参数球磨时间、球料比、过程控制剂(Process Control Agent,PCA)含量等对粉末的形貌及晶粒尺寸的影响;研究粉末在高能球磨过程中纳米化的演变规律;研究活化后的钨粉对烧结体的密度、显微组织及性能的影响;研究不同复合添加剂(TiC、Y2O3、La2O3)和助烧剂(Ni、Mo)对钨块体材料显微组织及力学性能的影响;研究不同钨材料的抗质子辐照性能,探讨晶粒尺寸对抗辐照性能的影响。获得了以下一些有价值的研究结果:
　　采用高能球磨法结合放电等离子烧结技术可制备出细晶钨块体材料。在最佳球磨参数条件下制备的粉末颗粒形状近似球形,其平均晶粒尺寸为15nm,内应变达到0.73。经SPS烧结后,其烧结体的相对密度达91.36％,晶粒尺寸均匀,大小约为8μm,显微硬度达到546HV。
　　TiC、Y2O3、La2O3等复合添加剂的添加可有效降低钨晶粒尺寸,其中TiC的晶粒细化效果最好。当TiC的百分含量达到10％时,材料的晶粒尺寸达到1μm以下,而相对密度达93.68％。助烧剂 Ni能够实现钨的低温烧结并明显提高材料的相对密度。制备的W-5％Ni复合材料的相对密度达到96.17％,晶粒尺寸在1μm左右且大小均匀。将复合添加剂和助烧剂联合使用可同时提高材料的相对密度和显微硬度,制得的W-10％TiC-5％Ni复合材料,相对密度为96.56％,硬度达到了1398HV。
　　W-10％TiC-5％Ni的抗辐照性最好,辐照前后组织结构无明显变化。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2面向等离子体材料

1.3面向等离子体钨材料

1.4本文的研究目的及主要研究内容

2 实验方案

2.1实验材料

2.2实验设备

2.3实验过程

2.4材料的表征与性能检测

2.5材料的辐照损伤研究2.5.1 离子注入机装置介绍

2.6技术路线

3 机械活化-放电等离子烧结细晶钨块体材料

3.1引言

3.2高能球磨法制备纳米晶钨粉末

3.3放电等离子烧结细晶钨块体材料

3.4本章小结

4 机械活化-放电等离子烧结细晶钨基复合材料

4.1引言

4.2不同复合添加剂的影响

4.3 TiC含量的影响

4.4助烧剂的影响

4.5烧结温度的影响

4.6本章小结

5 面向等离子体钨材料抗辐照性能的研究

5.1引言

5.2辐照结果与讨论

5.3本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间获得的奖励